美国核聚变获重大突破 人类或摘得清洁能源圣杯

美国能源部13日宣布，在核聚变相关研究取得重大突破。经过世界各地一众科学家逾半个世纪的研究，该项由加州劳伦斯利佛摩国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）进行的核聚变实验，首次在可控实验室条件下实现了能量净增，这意味着人类有可能在“零碳”能源上迈出关键性的一步。

核聚变（nuclear fusion）是使两个较轻原子核接受摄氏1亿度或以上的极端高温，从而聚合成一个更重的原子核、并释放出巨大能量的过程。然而，这个过程会消耗巨大的能量，因此核聚变实验的难度一直都是如何让释出的能量大于输入的能量，并实现持续性能量输出。此次实验的结果，便是首次在可控实验室条件下实现能量净增加。 

核聚变长期以来被视为一项最有潜力实现廉价、且用之不尽、取之不竭的清洁能源的技术，它既不依赖化石燃料、也不会产生温室气体，亦不会像目前世界各地的核电站一样产生放射性污染，故被称为清洁能源的“圣杯”（holy grail）。

劳伦斯利佛摩国家实验室前首席能源技术专家Lawrence Livermore指出：“与煤不同，产生聚变能只需要少量的氢。而氢是宇宙中最丰富的东西，它就存在于水中。因此产生这种能量的物质近乎无限，而且是清洁的。”

一杯水中的氘（Deuterium）再加上一点氚（Tritium），两者是一般用于进行核聚变反应的两个氢的同位素，也被称为“重氢”和“超重氢”，就可以满足一个家庭一年的能量需求；几克的氘和氚则可以产生一万亿焦耳的能量，相当于生活在发达国家的一个人60年所需要的能量。

美国能源部长格兰霍姆（Jennifer Granholm）表示，此次实验结果为“21世纪最引人瞩目的科学壮举”。美国国家核安全局局长Jill Hruby则称：“我们已经向一种可以彻底改变世界的清洁能源迈出了最初的一步。”

目前，世界各地的核电站皆利用核裂变（nuclear fission）来进行发电，这一过程与核聚变恰恰相反，是将重原子分裂，但其产生的能量却只有核聚变反应的四分之一。

然而，聚合两种同位素远没有听上去那么简单。在自然界中，太阳及其他所有的恆星都是由核聚变反应提供能量，但这些恆星上存在的自然条件却很难在地球上复制。这也是为什么核聚变工程也被称为“人造太阳”。

参与反应的两种原子核之间存在着一种电排斥力（Electric repulsion）形成的“库伦势垒”（Coulomb barrier，即是两个原子核要接近至可以进行核聚变所需要克服的静电能量壁垒），为了在人造的太阳上实现聚变，需要制造超过摄氏1,000万度的极高温度条件、使原子核相互碰撞，从而克服相互间的电排斥力，并最终实现聚变。要做到这一点，众多原子核必须被约束在一个非常狭小的空间之内，以增加碰撞的机会。在太阳中，其巨大的引力所产生的极端压力为核聚变的发生创造了条件。

在耗资39亿美元打造的劳伦斯利佛摩国家实验室，科学家们采用了一种惯性约束聚变的方法，通过从四面八方向一个非常微小的柱形燃料丸发射192道激光，将其内的燃料加热到超过摄氏300万度，引发内爆并产生瞬间的高温和高压。聚变燃料瞬时被压缩，密度达到极限值，温度也进一步升高，从而令氘和氚的原子核聚合形成氦和巨大能量。

在12月5日进行的实验中，反应产生了约3.15兆焦耳的能量，约为激光器中输入能量的150%。

商业化运行仍需数十年

是次实验所得的能量净增是关键的一步，但其商业化的应用还需要将确保能源输出可以长时间持续，才能够实现为全球的电网输电。而这将会是科学界下一个重大的挑战。

目前，加州实验室所产生的能源规模仍然远不足以运营一个发电站，伦敦帝国理工学院（Imperial College London）惯性核聚变研究中心主任Jeremy Chittenden对美国有线新闻网（CNN）表示，此次实验中产生的能源“大约是煮沸10壶水所需要的能量。为了把它变成一个发电站，我们需要大大增加在能量方面取得的收益。”

格兰霍姆表示，拜登政府的目标是在十年内生产出商业用的核聚变反应堆。不过，核聚变科学家Mark Cappelli重申，那些寄希望于核聚变在不久的将来成为一种无碳的、无废物的能源的人可能要耐心等待。他指出，问题在于科学家如何定义能量净增，因实验室激光器中的能量只佔点燃激光器所涉及的总功率的一小部分。

由此看来，Cappelli认为该实验室获得的能量仍远远低于它所投入的能量。他认为真正意义上的能量净增，是“非常、非常、非常、非常遥远的事情，那是几十年后、也许甚至是半个世纪以后才能实现的。”

来源：香港01 作者：蔺思含